科學家實現用超聲波控制3D打印部件微觀結構
日前，來自英國Bristol大學的一支研究團隊開發出了一種全新的方法以實現復合材料的3D打印。據天工社了解，這種獨特的方法使用超聲波來定位數以百萬計的微小增強纖維，使其在微觀尺度上形成一種增強框架，從而顯著提升材料強度。這種微觀結構的生成會與一個聚焦的激光束協調同步，而后者的作用是固化環氧樹脂。
“實際上，這個突破主要是基于將數以百萬計的微小纖維與液態光敏樹脂混合起來打印的一個簡單想法。”開發了該系統的博士生Tom Llewellyn-Jones解釋說：“這使得一種隨時可打印的材料，比如可以通過一個小小的噴嘴進入需要的位置。而最終的對象則可以逐層打印生成，與其他3D打印技術一樣。”
研究人們們面臨的最大挑戰就是如何找到一種方式操縱細微的纖維形成正確的結構，這樣才能使它們提供復合材料通常所具有的出色強度。最后，他們發現超聲波可用于將纖維在聚合物內排列成適當模式。研究人員只需在打印過程中切換超聲駐波模式即可控制每個纖維的精確排列方向。
“超聲能夠有效地在液態塑料中創建一個結構化的力場，而這些纖維會移動并與該力場的低壓區域對齊，后者被稱為節點�！�Llewellyn-Jones解釋說。“然后使用一束聚焦的激光束對聚合物進行固化，這些纖維就被固定住了�！�
使用一種可切換的聚焦激光模塊直接安裝到市場上現成的3D打印機上，研究團隊能夠使改裝后的機器打印速度達到20毫米/秒，這相當于常規3D打印機的打印速度。此外，這一技術還可以有很大的靈活性，可以用于創建傳統方式不可能實現的結果。而且幾乎任何類型、尺寸或形狀的纖維都能夠在這一新型系統內使用，使得產品設計師在智能材料領域獲得了更多新的可能性。
“我們的研究首次實現了在3D打印過程中事實控制其內部微觀結構的分布，它展示了制造帶有復雜微觀結構的快速原型的潛力�！痹撔C械工程系超聲學教授Bruce Drinkwater說。“這種定向控制使我們能夠制造出具有指定材料特性的3D打印部件，而且不會損失打印質量�！�
“在提升對象強度的同時，我們的方法在智能材料領域也有相當廣泛的應用，比如打印充滿樹脂的膠囊以用于自愈材料等�！痹撔：娇蘸教旃こ滔挡┦�Richard Trask補充道。
關于該項成果的研究論文——《使用超聲波控制微觀尺度結構的3D打印部件（3D printed components with ultrasonically arranged microscale structure）》已經于2016年1月19日刊登在了《Smart Materials and Structures》雜志上。
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